Как пътува светлината?

Въпросът как светлината пътува през космоса е една от многогодишните загадки на физиката. В съвременните обяснения това е вълново явление, което не се нуждае от среда, през която да се разпространява. Според квантовата теория той също се държи като колекция от частици при определени обстоятелства. За повечето макроскопични цели обаче поведението му може да бъде описано като се третира като вълна и се прилагат принципите на вълновата механика, за да се опише нейното движение.

В средата на 1800 г. шотландският физик Джеймс Клерк Максуел установява, че светлината е форма на електромагнитна енергия, която се движи във вълни. Въпросът как успява да го направи при липса на среда се обяснява с естеството на електромагнитните вибрации. Когато една заредена частица вибрира, тя произвежда електрическа вибрация, която автоматично индуцира магнитна такава - физиците често визуализират тези вибрации, възникващи в перпендикулярни равнини. Сдвоените трептения се разпространяват навън от източника; за тяхното провеждане не се изисква никаква среда, с изключение на електромагнитното поле, което прониква във Вселената.

Когато електромагнитният източник генерира светлина, светлината се движи навън като серия от концентрични сфери, разположени в съответствие с вибрациите на източника. Светлината винаги преминава по най-краткия път между източника и дестинацията. Линия, изтеглена от източника до местоназначението, перпендикулярна на фронтовете на вълните, се нарича лъч. Далеч от източника, сферичните вълнови фронтове се израждат в поредица от успоредни линии, движещи се в посока на лъча. Разстоянието между тях определя дължината на вълната на светлината, а броят на тези линии, които преминават през дадена точка в дадена единица време, определя честотата.

Честотата, с която вибрира източник на светлина, определя честотата - и дължината на вълната - на полученото излъчване. Това пряко влияе върху енергията на вълновия пакет - или взрив на вълни, движещи се като единица - според връзка, установена от физика Макс Планк в началото на 1900-те. Ако светлината се вижда, честотата на вибрациите определя цвета. Скоростта на светлината обаче не се влияе от вибрационната честота. Във вакуум винаги е 299 792 километра в секунда (186, 282 мили в секунда), стойност, обозначена с буквата "в." Според Теорията на относителността на Айнщайн нищо във Вселената не пътува по-бързо от това.

Светлината се движи по-бавно в среда, отколкото във вакуум, а скоростта е пропорционална на плътността на средата. Това изменение на скоростта кара светлината да се огъва на интерфейса на две среди - явление, наречено пречупване. Ъгълът, под който се огъва, зависи от плътността на двете среди и дължината на вълната на падащата светлина. Когато светлината, падаща върху прозрачна среда, се състои от вълнови фронтове с различни дължини на вълните, всеки фронт на вълната се огъва под различен ъгъл и резултатът е дъга.